TEMEL ATOMİK VE NÜKLEER FİZİK-2

1. TEMEL ATOMİK VE NÜKLEER FİZİK-2 Doç. Dr. Mehmet TEKŞAM Radyoloji A.B.D

2. X-Işınları ve Gamma Işınlarının Madde ile Etkileşimi • Fotoelektrik olay • Compton Saçılması • Çift Oluşumu • Thomson Saçılması

3. Fotoelektrik Olay • Fotonlar atomun elektronları ile çarpışır • Foton enejisinin tamamını elektronlara aktarır • Fotonun enerjisi elektronu atomun yörüngesinden uzaklaştıracak kadar yeterli ise elektron atomdan kopartılır ve atom iyonize olur (iyonizasyon)

4. Fotoelektrik Olay

5. Fotoelektrik Olay

6. Fotoelektrik Olay

7. Fotoelektrik Olay

8. Fotoelektrik Olay

9. Fotoelektrik Olay

10. Fotoelektrik Olay

11. Fotoelektrik Olay

12. Fotoelektrik Olay

13. Fotoelektrik Olay

14. Fotoelektrik Olay

15. Compton Saçılması • Foton atomun elektronları ile çarpışır • Foton enerjisinin bir kısmını elektrona aktarır • Fotonun geriye kalan enerjisi düşük enerjili foton olarak yayılır • Düşük enerjili foton orijinal fotonun yönünden farklı yöne gider (yönü değişmiştir)

16. Compton Saçılması

17. Compton Saçılması

18. Compton Saçılması

19. Compton Saçılması

20. Compton Saçılması

21. Compton Saçılması

22. Çift Oluşumu • Fotonlar nükleer alanın varlığında kaybolurlar, tüm enerjilerini ayrıldıkları elektron ve pozitif elektrona (pozitron) aktarırlar • Pozitron bir elektronla birleşir ve kaybolur • Bunu yapabilmesi için gelen fotonun enerjisi 1.02 MeV’un üzerinde olması gerekli

23. Çift Oluşumu

24. Çift Oluşumu

25. Thomson Saçılması • 10KeV’un altındaki düşük enerjili X-ışını fotonları atomun çekirdeğinin çekim etkisi ile enerji kaybı göstermeksizin yön değiştirir.X-ışını yalnızca yön değiştirmiştir.

26. Thomson Saçılması

27. Nötronlar • Nükleer reaksiyon sonrası oluşur • Termal; enerjileri <0.025 eV • Orta; 0.5 eV -1 keV • Hızlı; 10 keV-1 MeV • Relativistik; > 10 MeV

28. Nötronlar • Doğada madde ile etkileşimi sekonder.Enerjisini atomun çekirdeğine aktarır ve ortamda iyonizasyona neden olur • Dışarıdan insana çok zararlı • Yüksüz olduğu için uzak mesafelere gidebilir • Hızlı nötronlar yavaş olanlarda daha zararlı • Bazı maddelerde termal nötronların yakalanması gamma ışınlarına neden olabilir

29. Radyasyon Birimleri • ICRU - International Commission on Radiological Units and Measurements. • Radyoaktivite Şiddet Birimi • Işınlama Birimi • Fiziki Doz Birimi • Biyolojik Doz Birimi • Radyasyon Enerjisi Birimi

30. Radyasyon Birimleri • Radyoaktivite Şiddet Birimi • Bekerel:Saniyede 1 çekirdeğin parçalandığı bir maddede radyoaktivitenin şiddeti 1 bekerel (Bq) • Eski birim:Curie (Ci)

31. Radyasyon Birimleri • Işınlama (ekspojur) Birimi • Coulomb/kg:NŞA’da 1 kg hava içinde 1 coulomb’luk elektrik yüküne eşdeğer iyon çifti oluşturan X- yada gamma ışını miktarı • Eski birim:Röntgen:NŞA’da 1 cm3 havada 1 elektrostatik yük birimi oluşturan X- yada gamma ışını miktarı 1 röntgen

32. Radyasyon Birimleri • Fiziki Doz Birimi • X-ışınlarının enerjisi hastanın vücudunda, oluşan iyonizasyon nedeniyle depolanır. • Radyasyon ekspojuruna bağlı olarak bu enerji depolanmasına radyasyon absorbsiyon dozu adı verilir. • Gray (Gy):Bir ışınlama esnasında ortama 1 Joule (J)/kg enerji aktaran radyasyon dozu. • Eski birim Rad:Bir ışınlama esnasında ışınlanan maddenin 1 gramının abzorbe ettiği enerji 100 erg olduğunda alınan doz.

33. Radyasyon Birimleri • Biyolojik Doz (Eşdeğer doz) Birimi • Radyasyonun canlı dokularda soğurulan miktarını ifade etmek için kullanılır • Eşdeğer Doz = Radyasyon fiziki doz birimi x Kalite Faktörü • Sievert (Sv):Gray x Kalite Faktörü • KF: X-ışını,Gamma Işını için “1” • 1 Sv=1 Joule/kg • Eski birim REM: Rad x KF • 1 Sv=100 rem

34. Radyasyon Birimleri • Tanısal radyoloji pratiğinde, kalite faktörü 1 olarak kabul edildiğinden, radyasyon dozu birimi ile eşdeğer doz birimi aynıdır. • Tanısal dozlardaki x-ışını için 1 röntgenlik yumuşak doku ekspojuru, vücutta 1 rad’lık doz ve 1 reml’ik eşdeğer doz oluşturur. • Röntgen tanıda, Röntgen, RAD ve REM değerleri oldukça yüksek rakamlar oluşturduğundan bu birimlerden 1000 kat az olan miliröntgen, milirad ve milirem birimleri kullanılır

35. Radyasyon Birimleri • Radyasyon Enerjisi Birimi • Bir elektronun vakum içerisinde ve 1 voltluk potansiyel farkına sahip bir elektriksel alanın etkisi ile hızlandırıldığında kazandığı kinetik enerji. • Birimi eV.

36. İYONİZE RADYASYONUN ÖLÇÜLMESİ • İnsan tarafından alınan iyonize edici radyasyon enerji miktarı veya dozu, SI de Gray (Gy) olarak tanımlanır. Bir Gray, SI de her bir kg’lık kütle tarafından biriktirilen-soğurulan bir joule’lük enerjidir. 1 Gy = 1 J /kg = 1 m2.sn-2 = 100 rad • Ancak farklı tip radyasyonun bir graylık etkimesi aynı biyolojik etki üretmez. Örneğin bir graylık alfa ışıması, bir graylık beta ışımasından daha büyük etki yaratır. Dolayısıyla ışımaların biyolojik etkisi için Sievert(Sv) diye anılan bir effektif doz birimi tanımlaması yapılmıştır. Binde birine milisievert (mSV) denir. (1 Sv = 100 rem) 1000 mrem = 1 rem = 0.01 Gy dir

37. 1-GAZLI DEDEKTÖRLER: Alfa, Beta duyarlığı fazla, gama duyarlığı azdır. Yüksek sayım hızı alınmaz. Yüklerin deşarjı sırasında detektöre giren başka ışınlar sayılamaz. Yani ikinci sayım belli bir süre sonra yapılmaktadır. Sayıcının yeniden sayım yapabilme durumunu kazanması için gereken süreye ÖLÜ ZAMAN denir.

38. 2- SİNTİLASYON DEDEKTÖRLERİ • SOLID SİNTİLASYON ARACI:Kiristal, fotoelektrik, compton ve çift teşekkül gibi karşılıklı etkileşme sonucunda gama ışınımlarından soğurduğu enerjiyi görünür ışık haline çevirir. • LİKİD SİNTİLASYON ARACI: Kullanılma amaçlarına göre değişik fosfor çözeltilerle sintilasyonlu gözlem aygıtı üretilir.

39. DETEKTÖRLERİN KIYASLANMASI

40. RADYASYON VE ÇEVRESEL ETKİLEŞİM Canlılar çevresinden oldukça anlamlı düzeyde iyonize edici ışıma alırlar. Yine tıp ve diş hekimliğinde kullanılan X-ışımalarından korunma bir sağlık sorunudur. Aynı şekilde teşhis ve tedavide kullanılan ışımalarda sağlığımızı ayrıca tehdit eder. Yine soluduğumuz havada bulunan radon yüzünden de bir miktar ışımaya maruz kalmaktayız.

41. RADYASYONDAN TEMEL KORUNMA YÖNTEMLERİ ZAMAN ENGEL UZAKLIK

42. RADYASYONDAN TEMEL KORUNMA YÖNTEMLERİ • ZAMAN: Radyasyona maruz kalan kişinin kaynakla karşı karşıya kaldığı süredir. Bu süre içinde maruz kalınan ışınım şiddeti genel olarak saatte miliröntgen olarak ifade edilir. • UZAKLIK:Radyasyon şiddeti uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak azalmaktadır. Örneğin aynı kaynaktan 4 m uzakta olan bir kişi, 2 m uzakta olandan 1/4 kadar şiddette radyasyona maruz kalmaktadır. Bunu formülüze edecek olursak: I : şiddet, R : uzaklık olmak üzere, I1 . R12 = I2 . R22 dır.

43. KAYNAĞA OLAN UZAKLIK 2 metrede etkileşim 4 metrede etkileşim

44. ENGEL OLUŞTURMA • Kurşun, beton ve su radyasyona karşı oldukça iyi koruma ve şiddette azalmayı sağlamaktadır. Bu nedenle radyasyonla yapılan uygulama ve çalışmalarda bu engeller kullanılmaktadır. • Radyasyon şiddetindeki azalma exponansiyeldir. I2 = I1 . e-µxBurada µ : lineer soğurma katsayısı, x : kalınlık miktarıdır. • Engel oluşturuken, Radyasyon şiddetini yarıya indiren kalınlık Yarı Tabaka Kalınlığı (YTK), veya Onda Bir Tabaka Kalınlığı (OTK) kullanılmaktadır. 0,6932,303 YTK = OTK = µ µ

45. ÖRNEK: Bir radyoizotop labaruatuarında çalışan bir kişi 200 mCi I-131, 100mCi Au-198 ve 10 mCi Na-24 radyoizotopları ile haftada bir saatlik sürede ve 40 cm lik çalışma uzaklığında alacağı toplam dozu hesaplayalım. (Doz faktörleri: I-131 için 2,18, Au-198 için 2,35, Na-24 için de 18,4 dür) • İyot için:D = (2,18 x 200) / (40)2 = 0,273 rem = 273 mrem olur, • Altın için : D = (2,35 x 100) / (40)2 = 0,147 rem = 147 mrem • Sodyum için : D = (18,4 x 10) / (40)2 = 0,115 rem = 115 mrem bulunur. • Toplam doz miktarıda: D = 273 + 147 + 115 = 535 mrem dir. Bu değerde izin verilen dozun 5 katına eşittir. 0,3 cm lik kurşun tabakanın gelen dozu yarıya indirdiği bilindiğinden, • I için, 3 x 0,3 = 0,9 cm, kurşunla doz miktarı: 34 mrem • Au için, 4 x 0,3 = 1,2 cm kurşunla doz miktarı: 10 mrem • Na için de, 3 x 0.3 = 0,9 cm lik kurşunla doz miktarını: 15 mrem olabilir SONUÇTA maruz kalınan doz miktarı: 34 + 10 + 15 = 59 mrem olacaktır.

46. KORUNMA STANDARTLARI Uluslararası Radyolojik Korunma Komisyonu (ICRP) tarafından önerilen temel radyasyon korunma standartları: 1- Mesleği gereği radyasyonla çalışanlar için bütün vücudun ışınlanma doz limitleri: 50 mSv/yıl veya 5 rem/yıl 1 mSv/hafta veya 100 mrem/hafta 0,2 mSv/gün veya 20 mrem/gün 2- Halk için bütün vücudun ışınlanma doz limitleri: 5 mSv/yıl veya 0,5 rem/yıl

48. RADYASYON ETKİMESİ, EXİTASYON VE İYONİZASYON Enerji taşıyan bir radyasyon dalgasının herhangi bir atomun elektronuna vereceği enerji miktarına göre olası durumları inceleyecek olursak: • 1-Elektrona yüklenen enerji miktarı az ise, elektron kendisini çekirdeğe bağlayan kuvveti yenemez ve atomdan kopamaz, sadece yörüngesini biraz daha büyütebilir, bir üst yörüngeye geçer. Bu elektrona bekar elektron denir. • 2-Veya elektron, söz konusu enerji yüklemesi ile atomdan tamamen koparsa, atom İYONLAŞMIŞ demektir. Yani artık bir elektronu eksik olup, (+) yüklü bir yapı haline dönüşmüştür. Atomdan kopan ve yüksek bir hız kazanan elektronlar ortamda ilerlerken bir bilardo topu gibi diğer elektronlara çarpa çarpa enerjisini kaybeder. Bu çarpışmalar sonucu daha birçok elektron da yörüngelerinden koparak radyasyonun indirekt etkisi ile yeni birçok İYONLAŞMIŞ ATOMLAR’ın ortaya çıkmasına neden olurlar. Bu çarpmalar sırasında elektronlar, moleküllerin değişik atomlarını bağlayan elektronlara çarpmış ve onların kopmalarına neden olmuşsa, çift elektron yapılı organik molekül o yerde hemen ikiye ayrılır. Böylece o molekül veya sistemin tümü inaktif hale geçebilir.

49. Örneğin, su molekülüne bu enerji yüklü elektron çarpınca, bağlayıcı elektronlardan biri dışarı çıkabilir ve su molekülü parçalanarak bir hidrojen (H+) iyonu ve bir hidroksil (0OH) RADİKALİ meydana gelir. Veya radyasyon nedeni ile enerji yüklü elektron çarpması ile dışarı çıkan suya ait elektron başka bir su molekülü tarafından da tutulabilir. Negatif yüklü hale gelen su molekülü bu kez de bir hidrojen (0H) RADİKALİ ve bir hidroksil (OH-) iyonu şeklinde iki parçaya bölünebilir. Hidrojen radikalinden ara reaksiyonlar sonucu sırasıyla hidrojen peroksit (H2O2-) ve hidroksil (0OH) oluşur. Hidrojen peroksit hücre için toksikdir ve hücrenin ölümüne sebep olur.Bu oluşumlar sırasında ortaya çıkan radikaller birer organik molekül daha parçalarlar.

50. Sonuç olarak, enerji yüklü bir fotonun su molekülüne çarpması sonucu, indirekt yoldan 4 organik molekül parçalanmış olur. Yapılan çalışmalar, bir organik ortamda oksijenin olmaması veya az olması halinde, radyasyon etkimesi sonucu ortaya çıkan indirekt yollarla, oksijenli ortama göre yarısı kadar organik molekülün parçalandığı bulunmuştur (antioksidanların kullanılmasına yol açtı). • Ayrıca indirekt etkinin, fiziko-kimyasal evrede durdurabilme veya zayıflatabilme olanağı vardır. Çünkü aynı enerjiyi biyomoleküle gitmeden bir başka moleküle bağlamak olasıdır.Bu eylem, radyasyona karşı koruma amaçlı maddelerin etkinliğini içerir. Bu konuda yapılan araştırmalar, glikoz, sistein ve sisteamin gibi indirgemeye neden olan maddelerin, serbest radikallerle birleşerek onları inaktif (etkisiz) hale getirmek suretiyle biyomolekülleri koruyucu hale dönüştüklerini ortaya çıkarmıştır.